激光超聲檢測技術(shù)憑借非接觸測量、激發(fā)超聲波頻帶范圍寬、能檢測出微小缺陷等優(yōu)點,在缺陷檢測領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。由于激光激發(fā)超聲的機理較為復(fù)雜,超聲傳播路徑不唯一,波形交疊現(xiàn)象嚴重,影響實際缺陷的檢測與識別。本文圍繞激光超聲檢測金屬缺陷的光聲轉(zhuǎn)換與傳播問題,以有限元數(shù)值模擬為手段,分析了脈沖激光激發(fā)超聲波的物理過程,研究了激光超聲在金屬中的傳播規(guī)律以及缺陷檢測的表征方法,為實際激光超聲在缺陷檢測中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本文基于激光超聲的基本理論,采用仿真軟件COMSOL Multiphysics建立了激光線源熱彈激發(fā)超聲波的二維平面應(yīng)變模型,數(shù)值模擬了脈沖激光激發(fā)出的瞬態(tài)溫度場、應(yīng)力場以及總聲場,研究了三個物理場的變化規(guī)律,并且通過實驗驗證了仿真回波信號的正確性;針對影響回波信號因素的問題,討論了模型厚度和激光線寬對回波信號的影響,確定了有限元仿真的具體參數(shù),有效保證了缺陷檢測數(shù)值模擬的有效性;依據(jù)激光超聲在表面及內(nèi)部缺陷模型中的傳播原理,仿真得出缺陷試件的激光超聲回波信號,分析了缺陷深度、位置對回波信號幅值、渡越時間的影響,并以此為依據(jù)實現(xiàn)了缺陷的粗略定位。本文得到的結(jié)論,可為激光檢測實驗提供... 

【文章來源】：中北大學山西省

【文章頁數(shù)】：66 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

脈沖激光激發(fā)出的超聲波聲場

中北大學學位論文16熱彈激發(fā)出聲波的傳播規(guī)律和缺陷回波。仿真求解步驟如下：（1）選擇物理場脈沖激光激發(fā)超聲波的物理過程首先為熱傳導(dǎo)過程，激光作用處快速吸收部分激光能量后轉(zhuǎn)化為熱能，因此選擇固體傳熱模塊；隨著熱量的傳遞，這樣一個瞬態(tài)局部溫升必然引起熱膨脹，從而引起應(yīng)力和應(yīng)變，這一過程把熱能轉(zhuǎn)化成了機械能，因此選擇固體力學模塊。（2）建立模型、設(shè)置材料參數(shù)本課題選用金屬鋁板為研究對象，具有各向同性，將三維模型等效為二維平面應(yīng)變模型進行求解，如圖3-2所示。在幾何窗口繪制一個長30mm寬10mm的長方形代表被測工件鋁板，脈沖激光加載到鋁板的上表面，同樣在上表面距離激光入射X處接收信號，X為激發(fā)點到探測點的距離。鋁板材料的物理參數(shù)如表3-1所示：表3-1鋁的力學參數(shù)Tab.3-1Mechanicalparametersofaluminum楊氏模量(Pa)泊松比(Pa)熱膨脹系數(shù)(K-1)(Pa)(Pa)7.02×10100.342.31×10-55.81×10102.61×1010圖3-2仿真模型Fig.3-2Simulationmodel（3）施加力源、設(shè)置邊界條件本仿真中采用的激光源呈高斯函數(shù)分布。在激光激發(fā)超聲波的過程中，被測工件表脈沖激光接收點X

中北大學學位論文17面激光輻射引起的瞬間溫升是激發(fā)超聲波的主要原因，相當于一個力源，因此熱傳導(dǎo)過程是進行能量交換的主導(dǎo)過程，不考慮材料表面對激光的反射以及材料本身與外界的熱對流等情況，認為激光能量完全被材料所吸收，則鋁板的上表面吸收的脈沖激光能量可以表示為：)()()(),(0txQAtgxfTI（3-7）式中，)/exp()(202Rxxf（3-8）)/exp()/()(00tttttg（3-9）其中，0R為脈沖激光的光斑半徑，0t為脈沖激光的上升時間，本仿真中，設(shè)光斑直徑為30m，脈沖激光上升時間0t為10ns。tA)(取1。脈沖激光的空間分布xf)(和時間分布tg)(如圖3-3、3-4所示：圖3-3空間分布圖3-4時間分布Fig.3-3SpacedistributionFig.3-4Timedistribution在熱分析中，設(shè)定材料的初始溫度為293.15K,模型的邊界條件按絕熱處理。在應(yīng)力分析中，鋁板的左右兩側(cè)邊界增加低反射邊界條件，上下表面滿足自由邊界條件，初始應(yīng)力和位移都為零。（4）網(wǎng)格剖分為保證能量在連續(xù)的兩個節(jié)點之間傳遞，選取合適的空間分辨率即網(wǎng)格大小尤為重要。通常情況下，網(wǎng)格小于彈性波波長的1/4才能夠滿足激光作用后的彈性波的傳播的精度要求。對于空間分布為高斯函數(shù)，時間分布為狄拉克函數(shù))(t的脈沖激光激發(fā)的超

【參考文獻】：
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[3]基于反射橫波的金屬材料內(nèi)部缺陷激光超聲檢測研究[D]. 李遠林.南京理工大學 2014
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本文編號：3564990